煤礦沖擊地壓與冒頂復(fù)合災(zāi)害研究

潘一山代連朋李國臻李忠華

(1.東北大學(xué) 深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室,遼寧 沈陽 110819;2.遼寧大學(xué) 環(huán)境學(xué)院,遼寧 沈陽 110036;3.遼寧工程技術(shù)大學(xué),遼寧 阜新 123000)

沖擊地壓和冒頂災(zāi)害是煤礦中常遇的2 種典型的災(zāi)害。沖擊地壓[1-4]指井巷或工作面周圍巖體,由于彈性變形能的瞬時釋放而產(chǎn)生突然劇烈破壞的動力現(xiàn)象,常伴有煤巖體拋出、巨響及氣浪等現(xiàn)象。巷道冒頂[5-9]指礦井開挖、襯砌過程中因開挖或支護(hù)不當(dāng),頂部大面積垮塌的現(xiàn)象。

在淺部開采時,通常認(rèn)為,煤礦冒頂與沖擊地壓的發(fā)生具有一種明顯的互為逆向的特征,即易于冒頂處很少發(fā)生沖擊地壓,易于發(fā)生沖擊地壓的巷道較少發(fā)生冒頂,原因在于煤層頂板破碎時易于漏冒,不易于在煤體中積聚大量彈性能量,較低應(yīng)力集中區(qū)域不易發(fā)生沖擊地壓動力災(zāi)害[10-14]。兩者通常表現(xiàn)為單一的成災(zāi)模式[15-17],國內(nèi)外學(xué)術(shù)界也通常將巷道沖擊地壓與冒頂作為2 個獨立的方向平行開展研究,并取得了一定的成果。

然而近年來,我國煤礦以8～25 m/a 的速度向深部發(fā)展,深部煤層沖擊危險巷道處于原巖應(yīng)力場、采動應(yīng)力場與覆巖空間運(yùn)動引起隨機(jī)擾動應(yīng)力波的復(fù)雜地質(zhì)力學(xué)環(huán)境[18-21]。深部煤層巷道在高應(yīng)力作用下松動圈發(fā)育,使得沖擊地壓與冒頂2 種危險并存且在孕育過程中相互影響。比如頂板或頂煤局部較破碎的巷道、不良地質(zhì)體或斷層構(gòu)造帶附近巷道,支護(hù)巷道圍巖的錨網(wǎng)索錨固基礎(chǔ)力學(xué)性質(zhì)劣化嚴(yán)重,頻發(fā)擾動沖擊致頂煤垮落、錨桿索脫錨拉斷致巷內(nèi)沖擊型冒頂?shù)膭恿?zāi)害現(xiàn)象和工程問題。深部煤層巷道沖擊地壓動力災(zāi)害特征不同于淺部巷道沖擊地壓特征,其發(fā)生伴有巷內(nèi)沖擊型冒頂,巷內(nèi)冒頂?shù)陌l(fā)生往往又可能助推了沖擊地壓的發(fā)生,災(zāi)害總體表現(xiàn)為沖擊地壓與冒頂災(zāi)害的復(fù)合發(fā)生特征。例如,2017年中煤擔(dān)水溝煤業(yè)有限公司“1·17”沖擊地壓致頂板事故、2018年龍鄆煤礦“10·20” 沖擊地壓事故等均具此典型的巷道沖擊與冒頂?shù)膹?fù)合災(zāi)害特征。

隨著煤炭開采向深部發(fā)展,沖擊地壓和冒頂災(zāi)害引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注,對2 種災(zāi)害的相互影響進(jìn)行了初步探討。王官寶[22]分析了頂板大面積垮落垮塌引發(fā)沖擊地壓發(fā)生前、后的顯現(xiàn)特征,探討了石膏礦山發(fā)生的采空區(qū)頂板大面積垮落誘發(fā)沖擊地壓事故的失穩(wěn)機(jī)理、監(jiān)測及防治對策;馬念杰等[23]基于巷道蝶形塑性區(qū)理論,研究了蝶葉塑性區(qū)穿透特性與巷道冒頂機(jī)理,并進(jìn)一步提出了煤層巷道蝶型沖擊地壓發(fā)生機(jī)理的猜想,從蝶葉塑性區(qū)擴(kuò)展特征上分別研究了巷道冒頂與沖擊地壓的發(fā)生機(jī)理;陸菜平和竇林名等[24]研究了煤礦頂板斷冒引發(fā)沖擊地壓的微震事件頻譜演化規(guī)律,為冒頂導(dǎo)致沖擊地壓災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警奠定基礎(chǔ);滿福有[25]基于防治沖擊地壓的目的探討了局部冒頂?shù)念A(yù)測與防治措施。

現(xiàn)有的冒頂誘發(fā)沖擊地壓災(zāi)害研究多數(shù)集中在工作面采空區(qū)位置,鮮有揭示深部煤層巷道沖擊地壓與冒頂災(zāi)害的復(fù)合發(fā)生機(jī)理,缺乏巷道沖擊地壓與冒頂災(zāi)害復(fù)合發(fā)生的系統(tǒng)研究。因此,筆者提出了深部煤層巷道沖擊地壓與冒頂復(fù)合災(zāi)害的概念與分類,總結(jié)分析了煤層巷道沖擊地壓與冒頂復(fù)合災(zāi)害顯現(xiàn)特征,建立了復(fù)合災(zāi)害發(fā)生的解析模型,得到了復(fù)合災(zāi)害的臨界發(fā)生條件,揭示了煤層巷道沖擊地壓、冒頂與支護(hù)相互影響機(jī)制,巷內(nèi)災(zāi)害復(fù)合發(fā)生機(jī)理及主控因素。

1 典型煤礦動力災(zāi)害案例

1.1 山東某礦動力災(zāi)害案例

該礦主采3 號煤層,煤層平均厚度7.03 m,傾角13°,平均埋深984 m,斷層構(gòu)造發(fā)育。1303 工作面回采巷道高4.0 m,沿底板托3 m 頂煤掘進(jìn),巷道采用錨網(wǎng)索支護(hù)。2018-10-20,巷道掘進(jìn)貫通期間,發(fā)生沖擊冒頂災(zāi)害,災(zāi)后巷高5.999～6.125 m,垮落高2.025～2.099 m。巷道兩幫移近、可見底臌、附近有震源點,巷內(nèi)破壞具有明顯的沖擊地壓特征,沖擊冒頂長度約200 m,造成大面積頂煤沖擊垮落,致21 人死亡。巷內(nèi)頂板沖擊冒頂實照與素描如圖1所示。

圖1 山東某礦巷道圍巖沖擊冒頂破壞Fig.1 Characteristic of burst and falling damage of roadway in Shandong Province

1.2 山西某礦動力災(zāi)害案例

2017年1月,山西某礦203 綜采工作面運(yùn)輸巷發(fā)生了較為嚴(yán)重的動力災(zāi)害事故,造成10 人遇難,支護(hù)設(shè)施損壞嚴(yán)重。4203 工作面運(yùn)輸巷沿煤層底板掘進(jìn),煤層平均厚5.68 m,煤層傾角5°,掘進(jìn)斷面為3.3 m×5.4 m(寬×高)的矩形,頂板采用錨網(wǎng)索帶聯(lián)合支護(hù)。

災(zāi)害顯現(xiàn)后,巷內(nèi)出現(xiàn)頂?shù)装宕蠓纫平?yán)重底臌、錨桿錨索大量拉斷、超前支護(hù)范圍內(nèi)單體支柱壓彎、臨近垮落區(qū)的3 組離層儀鋼絲被巖層剪斷等典型動力破壞特征,如圖2所示。

圖2 山西某礦巷道圍巖沖擊冒頂破壞Fig.2 Characteristic of burst and falling damage of roadway in Shanxi Pr ovince

1.3 新疆某礦動力災(zāi)害案例

新疆某礦I010203 綜采放頂煤工作面位于一采區(qū)西翼B2 煤層中,B2 煤層頂板具有強(qiáng)沖擊傾向性,煤層具有弱沖擊傾向性。巷道斷面為圓弧拱形,掘進(jìn)寬度為4 700 mm,巷道斷面中心掘進(jìn)高度3 700 mm巷道采用錨桿+錨網(wǎng)+錨索+鋼帶的聯(lián)合支護(hù)方式。頂板屬于堅硬頂板,開采過程中有較長時間沒有進(jìn)行放頂工作,導(dǎo)致頂板在工作面后方形成懸頂,造成沖擊地壓事故災(zāi)害。巷內(nèi)嚴(yán)重破壞段為40 m,兩幫內(nèi)收斂1.2 m,頂板煤體出現(xiàn)垮落現(xiàn)象,垮落高度最大為2.6 m,寬度最大為3.4 m。由于頂煤發(fā)生大面積垮落,導(dǎo)致頂板錨索梁呈現(xiàn)不同形式的扭曲變形,有的錨索梁發(fā)生開裂現(xiàn)象,如圖3所示。

圖3 新疆某礦巷道圍巖沖擊冒頂破壞Fig.3 Characteristic of burst and falling damage of roadway in Xinjiang Province

2 沖擊地壓與冒頂復(fù)合災(zāi)害特征

2.1 沖擊地壓破壞特征

沖擊地壓是以彈性勢能參與為主的、以巷道四周圍巖拋出為主要特征的動力破壞。通過沖擊地壓巷道的破壞特征調(diào)研分析,從巷道沖擊地壓與冒頂破壞特征相對比的角度,巷道沖擊地壓主要有如下破壞特征:

(1)從巷內(nèi)四周破壞部位來看,沖擊地壓致災(zāi)巷道,巷內(nèi)頂?shù)住蓭偷乃闹車鷰r均具有明顯的沖擊破壞特征。巷內(nèi)頂部煤巖體表現(xiàn)出明顯的沖擊整體下沉破壞,巷內(nèi)兩幫有典型的沖擊幫鼓、煤體破碎拋出現(xiàn)象,底板有明顯的底臌式?jīng)_擊破壞現(xiàn)象。

(2)從巷內(nèi)圍巖破壞拋擲特征來看,發(fā)生沖擊地壓災(zāi)害的巷道,巷內(nèi)頂部、兩幫煤巖體破壞具有明顯的拋擲特征。由于沖擊地壓為煤巖體的彈性能釋放,沖擊地壓的發(fā)生使得巷道淺表煤巖體受沖破碎后產(chǎn)生較大的拋擲動能。

(3)從巷內(nèi)圍巖支護(hù)的破壞特征來看,巷內(nèi)頂部、兩幫支護(hù)體均有明顯破壞。支護(hù)破壞部位的方向性不明顯;沖擊破壞后錨桿索多呈現(xiàn)錨桿索拉斷、錨索梁開裂現(xiàn)象,錨桿產(chǎn)生較強(qiáng)彎曲、拉扭破壞特征,支護(hù)受損嚴(yán)重。

(4)從巷道破壞釋放能量的來源來看,沖擊地壓致災(zāi)巷道,微震系統(tǒng)通常能夠定位到較強(qiáng)的震源信號。重力勢能是沖擊地壓釋放能量的次要能量來源,而煤巖彈性能量的劇烈釋放是沖擊地壓能量參與的主體,因此沖擊地壓發(fā)生通常引起采場周圍環(huán)境甚至地面產(chǎn)生較為明顯的震感。

2.2 冒頂破壞顯現(xiàn)特征

巷道冒頂通常是以重力勢能參與為主的、以頂部煤巖離層垮落為主要特征的靜力破壞。通過對發(fā)生冒頂?shù)南锏榔茐奶卣鬟M(jìn)行調(diào)研,并從巷道冒頂破壞與沖擊地壓破壞特征相對比的角度,巷道冒頂主要有如下破壞特征。

(1)從巷內(nèi)四周破壞部位來看,發(fā)生冒頂災(zāi)害的巷道,一般僅巷內(nèi)頂部煤巖具有明顯的破壞特征。巷內(nèi)頂部煤巖體表現(xiàn)出明顯的漏冒式破壞特征,破壞垮落的圍巖呈散體特征,錨桿索失去脫錨基礎(chǔ)而懸空失效,垮落后的圍巖一般具有較為光滑的分界面。

(2)從巷內(nèi)圍巖破壞拋擲特征來看,發(fā)生冒頂災(zāi)害的巷道,巷內(nèi)頂部煤巖體垮落破壞具有明顯受重力下沉漏冒特征,無水平煤巖拋擲現(xiàn)象。由于冒頂災(zāi)害主要是巷道頂部煤巖體的重力勢能的釋放,冒頂使得巷道淺部煤巖體受采動劣化后在重力的作用下產(chǎn)生垂向漏冒特征。

(3)從巷內(nèi)圍巖支護(hù)的破壞特征來看,發(fā)生冒頂災(zāi)害的巷道,巷內(nèi)僅頂部支護(hù)體有明顯破壞,頂部支護(hù)部位垂向破壞特征明顯。冒頂后錨桿索支護(hù)失效多呈現(xiàn)2 種模式:一種為錨桿索拉斷、巷內(nèi)頂部煤巖垮落;另一種為錨桿索錨固基礎(chǔ)劣化松散垮落,錨桿索失去脫錨基礎(chǔ),冒頂后錨桿索懸吊在頂板。

(4)從巷道破壞釋放能量的來源來看,發(fā)生巷道冒頂時,附近無明顯的動載震源及震感。重力勢能是巷道冒頂釋放能量的主要能量來源,有限的重力勢能一般不能產(chǎn)生明顯的震源。

2.3 沖擊地壓與冒頂復(fù)合災(zāi)害顯現(xiàn)特征

深埋沖擊地壓巷道處于原巖應(yīng)力場、采動應(yīng)力場與覆巖空間運(yùn)移引起的隨機(jī)擾動沖擊波的復(fù)雜地質(zhì)力學(xué)環(huán)境,尤其在留頂煤掘進(jìn)的厚煤層巷道中,巷道圍巖錨網(wǎng)索錨固基礎(chǔ)采動損傷、力學(xué)性質(zhì)劣化,頻發(fā)擾動沖擊錨桿索脫錨致巷內(nèi)頂部煤巖體失穩(wěn)漏冒。因此,深部煤層巷道表現(xiàn)出沖擊地壓與冒頂相互誘發(fā)、復(fù)合顯現(xiàn)的災(zāi)害特征,具有“采動致煤巖損傷、支護(hù)劣化失效、沖擊地壓與冒頂復(fù)合發(fā)生”的連鎖效應(yīng)。

此類動力災(zāi)害既具有明顯的巷內(nèi)沖擊幫鼓、頂?shù)滓平⒚后w拋擲等典型沖擊地壓特征,又具有巷內(nèi)頂部煤巖重力垮落、冒后圍巖界面分明、錨桿索豎向破斷的典型冒頂特征,災(zāi)害總體表現(xiàn)為沖擊地壓與冒頂災(zāi)害的復(fù)合發(fā)生特征,如圖4所示。

圖4 復(fù)合災(zāi)害發(fā)生巷道破壞特征Fig.4 Characteristic of impact damage caused by the compound disaster

深部煤層巷道動力災(zāi)害表現(xiàn)出沖擊地壓與冒頂災(zāi)害的復(fù)合發(fā)生特征,直接原因在于:一方面,深部厚煤層沖擊地壓巷道處于原巖應(yīng)力場、采動應(yīng)力場與覆巖空間運(yùn)移引起的隨機(jī)性擾動沖擊波的高應(yīng)力復(fù)雜力學(xué)環(huán)境,為巷道系統(tǒng)動力失穩(wěn)提供了力源條件;另一方面,煤層巷道圍巖為強(qiáng)度較低、易軟化破碎的煤體介質(zhì),為錨固基礎(chǔ)劣化、頂板(頂煤)垮落提供了介質(zhì)屬性條件。因此,復(fù)雜高應(yīng)力環(huán)境下的深部煤層巷道,錨固圍巖采動損傷性能劣化,導(dǎo)致錨網(wǎng)索錨固圍巖體大量脫錨失效,極易發(fā)生巷道頂板(頂煤)沖擊冒頂、整體結(jié)構(gòu)動力失穩(wěn)。由此可知,深部煤層沖擊地壓巷道動力失穩(wěn)既有淺部巷道沖擊失穩(wěn)在力源環(huán)境上的共性條件,亦有“煤巖介質(zhì)損傷-錨固基礎(chǔ)劣化-巷道沖擊冒頂”機(jī)制的個性特征。

3 沖擊地壓與冒頂復(fù)合災(zāi)害發(fā)生機(jī)理

3.1 沖擊-冒頂復(fù)合動力災(zāi)害分類

深部巷道沖擊地壓與冒頂復(fù)合災(zāi)害一般為:高應(yīng)力環(huán)境下松動圈發(fā)育的深部煤巷,煤巖彈性能瞬時釋放導(dǎo)致巷內(nèi)頂煤沖擊漏冒或巷內(nèi)支護(hù)失效內(nèi)擾巷道導(dǎo)致彈性能有害釋放的圍巖突然劇烈破壞動力現(xiàn)象。從系統(tǒng)的角度分析,巷道彈性、塑性軟化與松軟破碎煤巖構(gòu)成了沖擊地壓與冒頂復(fù)合災(zāi)害發(fā)生的不穩(wěn)定系統(tǒng),松軟破碎區(qū)煤巖為巷道冒頂?shù)氖Х€(wěn)主體,彈性與軟化區(qū)煤巖為沖擊地壓的失穩(wěn)主體深部巷道沖擊地壓與冒頂復(fù)合災(zāi)害系統(tǒng)分析模型,如圖5所示。

圖5 深部巷道沖擊地壓與冒頂復(fù)合災(zāi)害系統(tǒng)分析模型Fig.5 Analysis model of compound disaster system of rock burst and roof falling in deep roadway

簡而言之,巷道沖擊地壓與冒頂復(fù)合災(zāi)害是圍巖彈性區(qū)、塑性軟化區(qū)與破碎區(qū)的“三分區(qū)”系統(tǒng)的穩(wěn)定與非穩(wěn)定平衡的演化過程。從分區(qū)子系統(tǒng)失穩(wěn)的誘發(fā)起因角度,復(fù)合災(zāi)害可分為“冒頂致沖”型復(fù)合災(zāi)害和“沖擊致冒”型復(fù)合災(zāi)害。其中,“冒頂致沖”為破碎區(qū)失穩(wěn)誘發(fā)系統(tǒng)失穩(wěn)的孕災(zāi)致災(zāi)過程,“沖擊致冒”為系統(tǒng)受擾沖擊啟動而誘發(fā)破碎區(qū)巷內(nèi)垮落的孕災(zāi)致災(zāi)過程。

巷道沖擊地壓與冒頂復(fù)合災(zāi)害的發(fā)生機(jī)制與特征,既不同于單一沖擊地壓災(zāi)害,也不同于單一冒頂災(zāi)害,其兼具2 者的部分特征,深部巷道沖擊地壓與冒頂復(fù)合災(zāi)害中松軟破碎區(qū)的存在降低了巷道系統(tǒng)的失穩(wěn)臨界值,即在較小擾動下即易產(chǎn)生巷內(nèi)沖擊漏冒失穩(wěn)現(xiàn)象,彈性與軟化區(qū)煤巖的沖擊失穩(wěn)又使得巷道冒頂具有明顯的沖擊破壞特征,3 者復(fù)合關(guān)系如圖6所示。

圖6 沖擊地壓與冒頂災(zāi)害復(fù)合關(guān)系Fig.6 Complex of rock burst and roof falling disaster relation map

綜上,深部巷道沖擊地壓與冒頂復(fù)合災(zāi)害的發(fā)生機(jī)理研究關(guān)鍵點在于揭示巷道整體系統(tǒng)的穩(wěn)定原理和松軟破碎區(qū)子系統(tǒng)的穩(wěn)定原理及其2 者間的相互影響,深部巷道沖擊地壓與冒頂復(fù)合災(zāi)害防治研究關(guān)鍵點在于探究支護(hù)系統(tǒng)對松軟破碎區(qū)子系統(tǒng)穩(wěn)控機(jī)理、破碎區(qū)調(diào)控巷道穩(wěn)定性的防沖機(jī)理。

3.2 “冒頂致沖”型復(fù)合災(zāi)害及其發(fā)生機(jī)理

此類復(fù)合災(zāi)害為巷道冒頂誘發(fā)沖擊地壓的復(fù)合災(zāi)害類型,該類型多發(fā)生于深部厚煤層高應(yīng)力采動損傷巷道,此類災(zāi)害以支護(hù)失效、冒頂破壞為先導(dǎo),以沖擊地壓造成巷道整體破壞為特征。巷內(nèi)淺表采動破碎圍巖與支護(hù)體構(gòu)成巷道破碎區(qū)子系統(tǒng),淺部破碎區(qū)子系統(tǒng)與深部塑性軟化區(qū)、彈性區(qū)煤巖構(gòu)成巷道整體系統(tǒng),子系統(tǒng)與系統(tǒng)產(chǎn)生復(fù)合作用并處于相對平衡狀態(tài),如圖7(a)所示;巷道破碎區(qū)成為了巷道失穩(wěn)的薄弱點,易發(fā)生漏冒失穩(wěn)、支護(hù)失效,如圖7(b)所示。

當(dāng)巷道發(fā)生冒頂、支護(hù)失效,巷道系統(tǒng)動力失穩(wěn)臨界值下降,支護(hù)破壞構(gòu)成系統(tǒng)內(nèi)擾動,因此易誘發(fā)巷道整體系統(tǒng)沖擊失穩(wěn),最終形成冒頂致沖的復(fù)合致災(zāi)鏈?zhǔn)椒磻?yīng),如圖7(c)所示。因此,易發(fā)生此類復(fù)合災(zāi)害的巷道應(yīng)側(cè)重防冒的工程設(shè)計。強(qiáng)調(diào)高強(qiáng)度、高剛度與耦合改性支護(hù)圍巖,確保靜壓巷道支護(hù)設(shè)計的合理性與有效性。

3.3 “沖擊致冒”型復(fù)合災(zāi)害及其發(fā)生機(jī)理

此類復(fù)合災(zāi)害為巷道沖擊地壓誘發(fā)冒頂?shù)膹?fù)合災(zāi)害類型,其以沖擊地壓顯現(xiàn)為先導(dǎo),以巷內(nèi)冒頂破壞為主要特征。巷道破碎區(qū)子系統(tǒng)與深部塑性軟化區(qū)、彈性區(qū)煤巖構(gòu)成的巷道整體系統(tǒng),處于相對平衡狀態(tài),如圖8(a)所示;巷道破碎區(qū)在支護(hù)作用下能夠保持靜壓環(huán)境中的穩(wěn)定性,但當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生沖擊失穩(wěn)時,低能級沖擊即可造成巷道破碎區(qū)沖擊冒頂致災(zāi)。巷道破碎區(qū)成為了巷道薄弱點,易成為巷內(nèi)沖擊下圍巖破壞的主要顯現(xiàn)點,發(fā)生支護(hù)失效、沖擊冒頂,形成沖擊致冒的復(fù)合致災(zāi)鏈?zhǔn)椒磻?yīng),如圖8(b)所示。

圖7 復(fù)合災(zāi)害的“冒頂致沖”災(zāi)變過程Fig.7 Process of “roof falling to rockburst” of compound disaster

圖8 復(fù)合災(zāi)害的“沖擊致冒”災(zāi)變過程Fig.8 Process of “rockburst to roof falling” of compound disaster

因此,易發(fā)生此類型復(fù)合災(zāi)害的巷道應(yīng)側(cè)重防沖的工程設(shè)計。強(qiáng)調(diào)防沖吸能的支護(hù)技術(shù),綜合采用應(yīng)力調(diào)控的主動防沖工程措施,確保動壓巷道支護(hù)設(shè)計的合理性與有效性。

4 巷道沖擊地壓與冒頂復(fù)合災(zāi)害解析分析

4.1 力學(xué)模型與假設(shè)

深部巷道破碎區(qū)作為巷內(nèi)最表層圍巖,是支護(hù)作用的直接載體,是冒頂主體,也是沖擊啟動后動力拋出的主體,因此,建立考慮破碎區(qū)的巷道復(fù)合災(zāi)害發(fā)生模型對災(zāi)害的定量分析尤為重要。

如圖5模型所述,針對深部巷道沖擊地壓與冒頂復(fù)合災(zāi)害系統(tǒng)模型,設(shè)均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的圓形巷道半徑為ρ0,巷道所處遠(yuǎn)場應(yīng)力為P,巷道內(nèi)支護(hù)應(yīng)力為ps。圍巖出現(xiàn)塑性軟化區(qū)與破碎區(qū),產(chǎn)生的破碎區(qū)半徑為ρf,塑性軟化區(qū)半徑為ρ。取單位長度進(jìn)行計算,巷道周圍煤體破壞采用摩爾-庫侖屈服破壞準(zhǔn)則,視其為靜水壓力狀態(tài)的軸對稱平面應(yīng)變問題。

煤巖本構(gòu)關(guān)系如圖9所示,峰值強(qiáng)度前簡化為線性彈性變形,彈性模量為E,煤的單軸抗壓強(qiáng)度為σc,對應(yīng)的應(yīng)變?yōu)棣與。ε′c為殘余強(qiáng)度對應(yīng)的應(yīng)變;εu為完全損傷狀態(tài)下煤巖應(yīng)變。峰值強(qiáng)度后,假設(shè)峰后煤巖呈現(xiàn)雙線性應(yīng)變軟化,降模量分別為λ1和λ2。定義煤巖沖擊傾向指數(shù)K=λ1/E,煤巖殘余強(qiáng)度σ′c=ξσc,其中,ξ為殘余強(qiáng)度系數(shù)。超過峰值強(qiáng)度后為2段線性各向同性損傷演化。

圖9 考慮殘余強(qiáng)度的煤巖三線性本構(gòu)模型Fig.9 Trilinear constitutive model of coal and rock considering residual strength

4.2 力學(xué)行為

煤巖在單軸壓縮下的一維損傷演化方程為

式中,D為損傷變量;為三維情況下的等效應(yīng)變;α為中間變量,無實際意義,α=λ2/E+(1-ξ)λ2/λ1+ξ。

由彈性理論,結(jié)合在彈性與軟化區(qū)交界處滿足莫爾庫倫準(zhǔn)則σθ(ρ)= mσr(ρ)+ σc。因此,彈性區(qū)徑向應(yīng)力σr、環(huán)向應(yīng)力σθ為

塑性軟化區(qū)內(nèi)(ρf< r < ρ)材料損傷的情況下,有效應(yīng)力分量為。將莫爾-庫侖屈服準(zhǔn)則中的應(yīng)力用有效應(yīng)力代替,得

在軟化區(qū)內(nèi),由幾何方程和體積不可壓縮假設(shè),得軟化區(qū)內(nèi)等效應(yīng)變?yōu)?/p>

因此,軟化區(qū)內(nèi)損傷演化方程為

不考慮體積力,將σθ =mσr +(1- D)σc代入平衡方程可得

設(shè)破碎區(qū)與塑性軟化區(qū)交界處應(yīng)力為pf, 結(jié)合邊界條件,得徑向應(yīng)力分量為

在巷道破碎區(qū)范圍內(nèi)(ρ0< r < ρf), 有效應(yīng)力滿足莫爾-庫倫準(zhǔn)則:

在破碎區(qū)內(nèi),由幾何關(guān)系和體積不可壓縮條件,得破碎區(qū)內(nèi)等效應(yīng)變?yōu)?/p>

破碎區(qū)內(nèi)損傷演化方程為

代入平衡微分方程得

結(jié)合邊界條件σr=ρ0= ps,當(dāng)r = ρf,得破碎區(qū)對塑性軟化區(qū)的作用應(yīng)力pf為

式中,a和b為中間變量,無實際意義;a=σc×

4.3 系統(tǒng)失穩(wěn)臨界條件

綜上解析,由r = ρ徑向應(yīng)力連續(xù)條件,得巷道系統(tǒng)方程:

因此,進(jìn)一步得到巷道動力失穩(wěn)的臨界軟化區(qū)半徑ρcr為

得巷道動力失穩(wěn)的臨界應(yīng)力Pcr為

臨界應(yīng)力Pcr是巷道系統(tǒng)達(dá)到臨界條件而動力失穩(wěn)啟動時的外部環(huán)境載荷水平,載荷來源包括原巖地應(yīng)力σin-situ和采動應(yīng)力σmining。因此,巷道動力失穩(wěn)的臨界發(fā)生條件為

其中,按加載的應(yīng)變率效應(yīng),采動應(yīng)力主要有集中靜載和低頻動載2 種表現(xiàn)形式。為定量說明特定地應(yīng)力條件下,巷道抵抗靜載應(yīng)力增量或動載加荷增量而受擾失穩(wěn)的能力,提出最大容許采擾應(yīng)力增量σmax指標(biāo)為

為統(tǒng)一考慮動靜載荷疊加致災(zāi)效應(yīng),此處采用應(yīng)力增量法將動載等效為擾動應(yīng)力增量。由此可知,巷道所處的地應(yīng)力一定時,臨界應(yīng)力越高,其抵抗采動擾動應(yīng)力增量的能力越強(qiáng),災(zāi)害越不易發(fā)生。

5 沖擊冒頂復(fù)合災(zāi)害主控因素及影響規(guī)律

深部巷道復(fù)合動力災(zāi)害發(fā)生的臨界條件式(14)表明,沖擊傾向指數(shù)K、巷內(nèi)支護(hù)強(qiáng)度ps、巷道開挖半徑ρ0、煤巖強(qiáng)度σc及其殘余性質(zhì)等參數(shù)對巷道復(fù)合災(zāi)害啟動臨界條件具有重要影響; 式中的項體現(xiàn)了煤巖沖擊傾向性質(zhì)對巷道穩(wěn)定性的影響,項體現(xiàn)了易冒破碎區(qū)圍巖殘余性質(zhì)及其有效支護(hù)對巷道系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,共同構(gòu)成了沖擊地壓與冒頂復(fù)合災(zāi)害發(fā)生的臨界條件。

5.1 沖擊傾向指數(shù)K 對臨界條件的影響

降模量與彈性模量之比K=λ1/E,可以反映煤巖體的脆性,λ1/E越大,煤巖越脆,λ1/E越小,煤巖的脆性越弱。在應(yīng)力-應(yīng)變曲線中,λ1/E與沖擊能量指數(shù)KE

[10]近似相等,因此,λ1/E可以作為判別煤巖沖擊傾向性的指標(biāo),定義為沖擊傾向指數(shù)。取ρ0=2.5 m,σc=15 MPa,φ=30°,λ2/λ1=0.05,φ′=20°,ξ=0.4,ps=0.6 MPa,則不同λ1/E下圍巖軟化與破碎深度隨地應(yīng)力發(fā)育規(guī)律如圖10(a)所示,沖擊啟動的臨界軟化區(qū)半徑、臨界應(yīng)力規(guī)律如圖10(b)所示,由圖10可知,沖擊傾向性越強(qiáng),巷道失穩(wěn)臨界值越小,破碎區(qū)出現(xiàn)的應(yīng)力門檻值越低,在擾動條件下越容易發(fā)生沖擊與冒頂復(fù)合動力災(zāi)害。因而對煤巖進(jìn)行“改性降傾”將有利于災(zāi)害防治,但應(yīng)以有效支護(hù)穩(wěn)控圍巖軟化區(qū)與破碎區(qū)為前提。

5.2 支護(hù)強(qiáng)度ps 對臨界條件的影響

圖10 沖擊傾向指數(shù)K 對臨界條件、破碎與軟化區(qū)發(fā)育的影響規(guī)律Fig.10 Influence of burst tendency index on critical condition and fracture zone

取ρ0=2.5 m,σc=12 MPa,φ=30°,ξ=0.23,λ1/E=0.9,λ2/λ1=0.01,則不同支護(hù)強(qiáng)度ps下圍巖軟化與破碎深度隨地應(yīng)力發(fā)育規(guī)律如圖11(a)所示,支護(hù)強(qiáng)度和臨界軟化區(qū)半徑、臨界應(yīng)力關(guān)系如圖11(b)所示,由圖11可知,支護(hù)強(qiáng)度越大,巷道失穩(wěn)臨界值越高,一定地應(yīng)力條件下,最大容許采擾應(yīng)力增量越大,災(zāi)害越不易發(fā)生,同時圍巖出現(xiàn)軟化、破碎區(qū)的最小應(yīng)力增大,并有效減緩軟化、破碎區(qū)擴(kuò)展發(fā)育速度。支護(hù)質(zhì)量與強(qiáng)度無疑對煤巖破碎區(qū)變形與離層具有重要調(diào)控作用,科學(xué)合理支護(hù)既能有效調(diào)控圍巖軟化破碎防冒,又能提升沖擊啟動臨界值。因此,軟化區(qū)與破碎區(qū)作為支護(hù)的直接載體,其穩(wěn)定支護(hù)是解決復(fù)合災(zāi)害的關(guān)鍵。進(jìn)一步,考慮到破碎區(qū)明顯的擴(kuò)容效應(yīng),吸能讓位對于深部巷道穩(wěn)定性具重要意義。

5.3 巷道半徑ρ0 對臨界條件的影響

取σc=15 MPa,φ=30°,ξ=0.2,ps=0.5 MPa,λ1/E=0.80,λ2/λ1=0.02,則不同巷道半徑ρ0下圍巖軟化、破碎深度隨地應(yīng)力發(fā)育規(guī)律如圖12(a)所示,巷道半徑ρ0和臨界軟化區(qū)半徑、臨界應(yīng)力關(guān)系如圖12(b)所示,可知,沖擊啟動臨界應(yīng)力值隨巷道半徑呈常數(shù),即寬巷掘進(jìn)不能提高巷道失穩(wěn)的臨界應(yīng)力,不能改變巷道出現(xiàn)破碎區(qū)的最小載荷,但加快了破碎區(qū)的形成速度,實現(xiàn)應(yīng)力轉(zhuǎn)移、同時對支護(hù)要求更高,巷道維護(hù)難度增加。因此,實現(xiàn)有效支護(hù)的寬巷掘進(jìn)將有利于沖擊啟動后圍巖破碎耗能,最大限度保有巷內(nèi)逃生空間,降低致災(zāi)程度。

圖11 支護(hù)強(qiáng)度對臨界條件、破碎與軟化區(qū)發(fā)育的影響規(guī)律Fig.11 Influence of support strength on critical condition and fracture zone

5.4 單軸抗壓強(qiáng)度σc 對臨界條件的影響

取ρ0=2.5 m,φ=30°,ξ=0.28,ps=0.4 MPa,λ1/E=1.1,λ2/λ1=0.01,則不同單軸抗壓強(qiáng)度σc下圍巖軟化與破碎深度隨地應(yīng)力發(fā)育規(guī)律如圖13(a)所示,單軸抗壓強(qiáng)度σc和臨界軟化區(qū)半徑、臨界應(yīng)力關(guān)系如圖13(b)所示,可知,煤巖單軸抗壓強(qiáng)度越低,臨界應(yīng)力越低,越易發(fā)生動力失穩(wěn),同時其巷道易出現(xiàn)軟化破碎發(fā)育,這就增加了巷道冒頂?shù)目赡苄?對巷道支護(hù)提出了更高的要求。因此,煤質(zhì)越軟弱的煤巖,越需加大巷內(nèi)支護(hù)的力度。

5.5 3 起災(zāi)害煤巷的臨界指標(biāo)計算

基于以上理論分析,得到復(fù)合動力災(zāi)害發(fā)生的臨界應(yīng)力、臨界軟化區(qū)半徑和最大容許采擾應(yīng)力增量等的解析表達(dá)式,結(jié)合上述山東、山西和新疆的典型沖擊地壓和冒頂復(fù)合災(zāi)害多發(fā)煤礦巷道的地質(zhì)力學(xué)條件,進(jìn)行相關(guān)臨界指標(biāo)值計算分析見表1,可知:

圖12 巷道半徑ρ0 對臨界條件、破碎與軟化區(qū)發(fā)育的影響規(guī)律Fig.12 Influence of roadway radius on critical condition and fracture zone

(1)根據(jù)山東某礦的煤巖力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計值與巷內(nèi)基本參數(shù),計算得到該礦典型巷道的臨界軟化區(qū)深度達(dá)18.58 m,破碎區(qū)深度11.67 m,臨界應(yīng)力為33.85 MPa。整體來說,巷內(nèi)圍巖臨界軟化半徑較大,臨界應(yīng)力高,沖擊不易發(fā)生。但同時巷內(nèi)有3 m厚頂煤不穩(wěn)定結(jié)構(gòu),即在較低臨界條件下亦會誘發(fā)頂煤結(jié)構(gòu)參與的沖擊冒頂災(zāi)害,與現(xiàn)場破壞特征相一致。

(2)根據(jù)山西某礦巷內(nèi)基本參數(shù),計算得到該礦典型巷道的臨界軟化區(qū)深度達(dá)12.41 m,破碎區(qū)深度9.38 m,臨界應(yīng)力為34.27 MPa。整體來說,巷內(nèi)圍巖臨界軟化半徑較大,臨界應(yīng)力高,沖擊發(fā)生前后圍巖巷道破碎發(fā)育、錨桿索易拉拔失效,形成高應(yīng)力集中的沖擊冒頂災(zāi)害,與現(xiàn)場相一致;且巷道底板強(qiáng)度較低,易形成底臌顯現(xiàn),與現(xiàn)場中的明顯沖擊底臌相吻合。

(3)根據(jù)新疆某礦巷內(nèi)基本參數(shù),計算得到典型巷道的臨界軟化區(qū)深度為8.21 m,破碎區(qū)深度7.36 m,臨界應(yīng)力為17.44 MPa。整體來說,圍巖臨界軟化半徑較前兩者小,臨界應(yīng)力較低,沖擊發(fā)生前后圍巖破碎發(fā)育范圍對錨固區(qū)影響明顯,支護(hù)易失效,與現(xiàn)場中的錨固基礎(chǔ)劣化、圍巖破裂界面分明、錨桿索脫錨失效現(xiàn)象相吻合。

圖13 單軸抗壓強(qiáng)度σc 對臨界條件、破碎與軟化區(qū)發(fā)育的影響規(guī)律Fig.13 Influence of UCS of coal mass on critical condition and fracture zone

表1 典型礦區(qū)巷道復(fù)合災(zāi)害主控參量及其臨界指標(biāo)值Table 1 Main control parameters and critical values of rock burst roadway system in typical mining area

基于擾動響應(yīng)失穩(wěn)理論計算結(jié)果,工程實踐中應(yīng)進(jìn)一步考慮巷道特定地質(zhì)力學(xué)結(jié)構(gòu)的綜合效應(yīng)。

6 結(jié) 論

(1)調(diào)研深部煤層巷道沖擊冒頂事故,總結(jié)巷道動力災(zāi)害顯現(xiàn)特征,提出巷道沖擊地壓與冒頂復(fù)合災(zāi)害概念、機(jī)理與分類體系,分別明確了沖擊致冒、冒頂致沖2 種類型復(fù)合災(zāi)害的發(fā)生機(jī)理與顯現(xiàn)過程。

(2)巷道沖擊地壓與冒頂復(fù)合災(zāi)害既具有明顯的巷內(nèi)沖擊幫鼓、頂?shù)滓平⒚后w拋擲等典型沖擊地壓特征,又具有巷內(nèi)頂部煤巖重力垮落、冒后圍巖界面分明、錨桿索豎向破斷的典型冒頂特征,災(zāi)害總體表現(xiàn)為沖擊地壓與冒頂災(zāi)害的復(fù)合發(fā)生特征。

(3)從系統(tǒng)穩(wěn)定性理論出發(fā),建立巷道發(fā)生復(fù)合災(zāi)害的擾動響應(yīng)失穩(wěn)模型,得到復(fù)合災(zāi)害發(fā)生的主控因素,厘清了影響規(guī)律。深部煤層巷道的動力失穩(wěn)主體為彈性區(qū)、軟化區(qū)與破碎區(qū)構(gòu)成的不穩(wěn)定系統(tǒng),冒頂垮落主體為破碎區(qū)。

(4)穩(wěn)定的破碎區(qū)提升了巷道沖擊啟動臨界值,使其啟動難度增大,但破碎區(qū)的發(fā)育又易引起頂煤垮落。因此,巷道穩(wěn)定支護(hù)是解決復(fù)合災(zāi)害的關(guān)鍵,科學(xué)合理支護(hù)既能有效調(diào)控圍巖破碎防冒,又能提升沖擊啟動臨界值。

(5)深部巷道沖擊地壓與冒頂復(fù)合災(zāi)害防治進(jìn)一步的研究關(guān)鍵點在于探究支護(hù)系統(tǒng)對松軟破碎區(qū)子系統(tǒng)穩(wěn)定性的控制機(jī)理和對巷道整體系統(tǒng)穩(wěn)定性的穩(wěn)控防沖機(jī)理,應(yīng)從復(fù)合災(zāi)害危險巷道中支護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定性及其穩(wěn)控破碎區(qū)圍巖、穩(wěn)控巷道整體系統(tǒng)方面入手,研發(fā)更加適合深部厚煤層巷道安全開采的巷道支護(hù)方法與關(guān)鍵技術(shù)。